Construcția Instalației de Alimentare

Construcția instalației de alimentare

Trendul în ceea ce privește proiectarea motoarelor cu ardere internă ale automobilelor este obținerea unei puteri specifice cât mai mari și a unui consum de combustibil cât mai mic. Pe lângă aceste caracteristici se impune prin reglementările în vigoare limitarea nivelului de emisii poluante. De asemenea zgomotul și confortul în timpul conducerii automobilului au devenit în ultimul timp criterii importante de evaluare a performanțelor.

Emisiile poluante ale automobilelor sunt o adevărată problemă în zonele urbane unde densitatea de automobile este mult peste nivelul zonelor extra-urbane. Mai mult, concentrarea populației din ce în ce mai mult în zonele urbane face ca impactul automobilelor asupra mediului urban să fie din ce în ce mai semnificativ. Organismele internaționale reduc periodic limitele de emisii poluante ale automobilelor pentru a diminua impactul acestora asupra sănătății umane și a mediului. De asemenea costul combustibilului face ca pentru anumite segmente de automobile consumul de combustibil să fie un criteriu foarte important în ceea ce privește achiziționarea unui automobil.

Descrierea părților componente și a principiului de funcționare

Alimentarea prin injecție constituie una din căile eficiente de îmbunătățire a motoarelor cu aprindere prin scânteie atât din punctul de vedere al indicilor energetici și economici, cât și din punctul de vedere al reducerii poluării atmosferei. Deosebirea fundamentală față de instalațiile cu carburator unde formarea amestecului se bazează pe principiul vaporizării combustibilului, constă în formarea amestecului prin pulverizarea combustibilului, ceea ce atrage o îmbunătățire a randamentului general al motorului.

Principalele avantaje ale injecției de benzină sunt:

– datorită faptului că prin pulverizare, combustibilul se amestecă mult mai bine cu aerul, rezultând un amestec omogen;

– se creează posibilitatea utilizării unei tubulaturi de admisie cu rezistențe gazo-dinamice mai mici datorită eliminării carburatorului;

– construcția unui colector de admisie cu mai puține schimbări de direcție și secțiuni de curgere mai generos dimensionate;

– viteze mari ale combustibilului injectat în raport cu aerul, facilitând pornirea la rece a motorului;

– fiind injecție multipunct avem o distribuție uniformă a combustibilului livrat cilindrilor, rezultând performanțe mult mai bune ale motorului în comparație cu injecția monopunct sau chiar cu carburatorul;

– crește gradul de umplere cu până la 12%;

– se poate crește raportul de comprimare mai mult, amestecul fiind un gaz compresibil, el aprinzându-se doar datorită scânteii.

– creșterea puterii și economicității motorului, creșterea economicității este influențată și de faptul că la decelerare, alimentarea se întrerupe prompt, prevenindu-se risipa de combustibil;

– adaptarea mai bună la tracțiune a motorului determinată de accelerarea rapidă și funcționarea mai uniformă a motorului la accelerare.

Injecția de benzină permite alegerea neîngrădită a lungimilor și volumelor colectoarelor de admisie, astfel încât, utilizând fenomenele dinamice să se realizeze o supraalimentare naturală a motorului.

Emisia de noxe este mult mai redusă în comparație cu carburatorul deoarece injecția fiind controlată electronic se poate obține raportul stoichiometric de ardere și se poate astfel utiliza un catalizator tricomponent cu sondă lambda care reduce simțitor mai mult emisiile.

Tipuri de sisteme de alimentare pentru motoarele pe benzină

    Cerințele legate de performanțe dinamice ridicate, emisii și consum de combustibil scăzut, zgomot scăzut, obligă producătorii de automobile să îmbunătățească continuu motoarele cu ardere internă. Sistemul de injecție cu combustibil influențează în mare măsură prestațiile unui motor cu ardere internă.

Carburatorul

    Primele sisteme de alimentare cu benzină utilizau un carburator pentru dozarea și omogenizarea amestecului aer-combustibil. Principalul dezavantaj al carburatorului este imposibilitatea realizării amestecului stoichiometric (14.65 kg aer / 1 kg combustibil) ceea ce elimină posibilitatea utilizării unui catalizator pe trei căi. Astfel, motoarele cu carburator au un randament specific scăzut și consum mare de combustibil.

Fig. 1 : Sistem de alimentare cu carburator – schemă de principiu.

carburator (cameră de nivel constant)

admisie aer

obturator admisie

galerie de admisie

jiclor

bloc motor

Injecția de benzină

Clasificarea tipurilor de sisteme de alimentare cu injecție de benzină:

1) după locul de injectare al pulverizatorului:

– injecție indirectă care se poate face în porțile supapelor sau central în colectorul de admisie comun;

– injecție directă (direct în cilindrul motorului)

2) după modul de funcționare al pulverizatorului:

– cu injecție continuă;

– cu injecție intermitentă în cursa de aspirație;

3) după modul de reglaj:

– sistem de reglaj mecanic;

– sistem de reglaj electronic;

4) după schema hidraulică utilizată.

În prezent cele mai folosite sisteme de injecție sunt cele cu injecție indirectă comandate electronic, datorită avantajelor pe care le au:

– presiune de injecție mică (3..20bari)

– sensibilitate mică la schimbarea unghiului de avans la injecție;

– siguranță, precizie, stabilitatea indicilor de reglaj, posibilitatea de corectare a debitului funcție de parametrii care afectează funcționarea motorului prin utilizarea comenzii electronice.

Deși și-au dovenit fiabilitatea și eficiența sistemele de injecție indirectă au început să fie inlocuite cu sisteme de injecție directă de benzină. Majoritatea producătorilor au trecut deja la aceste sisteme mai avansate datorită faptului că normele de depoluare nu mai pot fi satisfăcute utilizând injecția indirectă de benzină dar și datorită faptului că oferă un consum mai redus de combustibil și un moment motor maxim mai mare(comparabil cu un motor diesel) livrat la o turație sub 2000 rot/min și menținut maxim pe un palier mare până pe la 5000 rot/min. Puterea maximă este și ea mai mare și motorul o poate menține asa pe un palier de la 5000 la 6000 rot/min variind de la un producător la altul.

Structura unui sistem de injecție cu comandă electronică cuprinde:

– traductori care preiau informațiile și le convertesc în semnale ce pot fi analizate de blocul de comandă și control;

– blocul de comandă și control care prelucrează semnalele, memorează, decide și comandă;

-elementele de conexiune care asigură circularea semnalelor înspre și dinspre blocul de comandă și control;

-elemente de acționare, care transformă semnalele de comandă emise de blocul de comandă și control în acțiune efectivă.

Combustibilul este preluat din rezervorul de combustibil (1), care este fabricat să reziste la presiuni ridicate, printr-un reductor de presiune (5) care reduce presiunea la nivelul de 2,5…3 bar.

Injectoarele (4) preiau combustibilul din rampa centrală și îl pulverizează în porțile supapelor de admisie, la comanda unui bloc electronic cu microprocesor (6).

Reglarea dozei de combustibil injectat se realizează prin modificarea duratei de deschidere a injectoarelor. Acesta se execută în principal, în corelație cu turația și debitul de aer admis în motor, dar și în funcție de alți parametrii care introduc corecții necesare optimizării funcționării motorului în toate condițiile.

Informația privind turația este obținută de la traductorul de turație (15), iar debitul de aer este măsurat de un traductor cu volet a cărui informație e corectată în raport cu temperatura aerului determinată de un traductor 14 amplasat înaintea aerului în debitmetru. Computerul de bord ține seama și de poziția clapetei de accelerație și de viteza cu care aceasta este deschisă prin contactorul clapetei (11).

Fig. 2 : Schemă generală sistem injecție indirectă

Alte notații din figură sunt: 10 – clapeta de accelerație, 12 – șurub reglaj mers în gol, 13 – controler de mers în gol, 16 – acumulator, 17 – cheie de contact și 18 – relee.

Pentru determinarea regimurilor de ralanti și sarcină plină, pe axul clapetei de accelerație este montat un senzor de poziție (11) la al cărui semnal blocul electronic comandă mărirea dozei de combustibil injectat. În perioada de încălzire a motorului un senzor de temperatură (9), montat de obicei în chiulasă, avertizează blocul asupra necesității îmbogățirii corespunzătoare a amestecului.

Pentru stabilirea funcționării motorului în perioada de încălzire, în paralel cu clapeta de accelerație este prevăzut un canal de aer controlat de un regulator 13. Acesta este comandat de un arc bimetalic, care deschide circuitul atunci când motorul este rece și îl închide treptat, pe măsură ce motorul se încălzește.

Injecția indirectă (MPI, EFI, PFI)

    Introducerea sistemelor electronice pentru controlul injecției de combustibil, începând cu anii 1980, a făcut posibilă funcționarea motorului cu amestec stoichiometric, ceea ce a condus la utilizarea sondelor de oxigen și a catalizatorului pe trei căi.

    Comparativ cu sistemele de alimentare pe bază de carburație, injecția indirectă de combustibil are următoarele avantaje:

reduce emisiile poluante datorită posibilității utilizării senzorului de oxigen și a catalizatorului;

crește cuplul și puterea motorului datorită îmbunătățirii randamentului volumetric (umplere mai bună a cilindrilor cu amestec aer-carburant). Deficiența carburației relativ la randamentul volumetric se datorează utilizării unui tub Venturi;

reduce consumul de combustibil datorită amestecului stoichiometric și a egalizării cantității de combustibil injectate pentru fiecare cilindru;

răspunsul motorului la accelerații devine mai rapid datorită controlului mai precis al cantității de combustibil injectate;

Fig. 3: Sistem de alimentare cu injecție indirectă – scheme de principiu

alimentare cu combustibil

admisie aer

obturator

galeria de admisie

injector (injectoare)

bloc motor

    Cu toate că injecția indirectă (în galeria de admisie, în dreptul supapei de admisie) are avantaje semnificative comparativ cu sistemul de alimentare cu carburator nu mai poate îndeplini cerințele actuale legate de emisiile poluante și de îmbunătățire a performanțelor dinamice.

Injectia indirectă de benzină

Fig. 4 : Injecția indirectă de benzină

Injecția directă (GDI, FSI)

Pentru a satisface cerințele tot mai severe de poluare, consum redus de combustibil, in coroborare cu cerințele de putere crescută, orice motor modern alimentat cu benzină trebuie echipat cu un sistem de injecție directă de benzină.

Fig. 5: Sistem de alimentare cu injecție directă – scheme de principiu

alimentare cu combustibil

admisie aer

obturator

galeria de admisie

injectoare

bloc motor

Injecția directă de benzină inseamnă că injecția se efectuează direct in camera de ardere, in speță in cilindrii motorului spre deosebire de injecția indirectă unde injecția combustibilului este efectuată in galeria de admisie la nivelul porții supapelor.

Deși conceptul de injecție directă de benzină este destul de vechi, primul vehicul echipat cu un astfel de sistem fiind Mercedes 300 SL în anul 1956, cei care au lansat primii, în masă, vehicule echipate cu sistem de injecție directă de benzină au fost grupul Volkswagen incepând cu anul 2000 sub denumirea arhicunoscută de FSI (Fuel Stratified Injection).

Eficiența crescută a acestui tip de injecție oferă avantaje însemnate în comparație cu injecția indirectă de benzină și posibilități interesante de dezvoltare in viitor.

Fig. 6 :Injecția directă de benzină cu injectorul plasat lateral ( se poate și cu injectorul plasat central)

Fig. 7: Injecția directă de benzină (injector plasat lateral și bujie centrală)

Pentru a crește și mai mult performanțele motorului, alături de injecția directă se aplică și turbosupraalimentarea, rezultând astfel din motoare cu cilindree relativ scăzută, puteri similare cu ale unor motoare de cilindree mai mare ce folosesc injecția indirectă de benzină. Este binecunoscut în acest sens conceptul de downsizing.

Sistemul de injecție directă de benzină este similar cu sistemul rampă comună de injecție directă folosit la motoarele Diesel, în principiu fiind alcătuit din aceleași componente principale, în schimb presiunile de injecție fiind cu un ordin de mărime mai mici (maxim 150 bar).

Fig. 8 : Componentele sistemului de injecție directă pe benzină

Înainte de a vedea care sunt avantajele injecției directe de benzină, haideți să vedem care sunt inconvenientele injecției indirecte:

– formarea de picături în galeria de admisie, ceea ce conduce la control imprecis al cantității de combustibil ce va fi aspirată in cilindri însemnând un consum mărit de combustibil;

– posibilități foarte limitate de evacuare a gazelor arse din cilindru de către incărcătura proaspată;

– nu se pot realiza amestecuri stratificate  (o sa detaliez în cele ce urmează ce înseamna acest lucru).

Sistemele de injecție de benzină direct în cilindru au început să fie studiate și implementate pe automobile începând cu anii 1990.

Avantajele sistemului de injecție directă comparativ cu injecția indirectă sunt numeroase:

eliminarea depunerii de benzină pe pereții galeriei de evacuare și pe supape.

îmbunătățirea controlului amestecului aer-combustibil.

reducerea pierderilor prin pompaj (aspirația aerului) în modul de funcționare cu amestec stratificat.

îmbunătățirea randamentului termic, în timpul funcționării cu amestec stratificat, datorită raportului de comprimare mai ridicat.

scăderea emisiilor de CO2 și a consumului de combustibil datorită posibilității funcționării cu amestec stratificat.

scăderea pierderilor prin căldură datorită funcționării cu amestec stratificat

încălzirea mai rapidă a catalizatorului prin divizarea și întârzierea injecției de combustibil în faza de evacuare.

pornire mai bună la rece datorită pulverizării mai bune a combustibilului.

răspuns mai bun la accelerații.

Avantajele injecției directe de benzină se răsfrâng din faptul că permite un control foarte precis al cantității de combustibil injectate in cilindru: permite funcționarea cu amestecuri sărace in camera de ardere. Un amestec sărac este un amestec aer-combustibil la care masa de aer este superioară masei de aer necesară pentru arderea cantității de combustibil din amestec. Cu alte cuvinte in camera de ardere dispunem de mai mult aer decat este necesar.

Toate aceste avantaje plasează sistemele de injecție directă de benzină în fruntea clasamentului în ceea ce privește economia de combustibil și performanțele dinamice ale motoarelor.

Marele dezavantaj al motorului pe benzină “convențional” este că funcționează aproape întotdeuna cu amestecuri stoichiometrice (adică dispune exact de masa de aer necesară pentru arderea unei anumite cantități de carburant). Pentru a obține acesta masă de aer este necesară obturarea admisiei cu binecunoscuta clapetă de admisie.

Clapeta de admisie conduce la pierderi de pompaj și este responsabilă pentru consumul crescut de combustibil al motorului alimentat cu benzină.

După cum se știe deja motorul Diesel funcționează după următorul principiu: în cilindri intră o cantitate de aer, se comprimă acest aer, apoi se produce injecția unei cantități precise de combustibil ( în funcție de punctul de funcționare și cerința conducătorului auto ) care se va auto-aprinde și va produce lucrul mecanic pentru a pune vehiculul in mișcare.

Obiectivul injecției directe de benzină este așadar, menținerea clapetei de admisie deschisă urmând să injectăm astfel doar cantitatea de combustibil care ne interesează. De fapt, scopul este de a concentra aceasta cantitate de combustibil în zona bujiei pentru a obține un amestec  apropiat de cel stoichiometric (λ=1) în jurul bujiei, iar în rest să avem numai aer. Pentru acesta norul de combustibil este dirijat aerodinamic în zona bujiei (vezi forma pistonului), iar injecția combustibilului are loc în faza de compresie: acesta este modul stratificat de funcționare. Funcționarea în modul stratificat (aceasta poate avea loc doar la sarcini parțiale) aduce economii însemnate de combustibil.

Când este injectat și vaporizează (proces termodinamic care se desfășoară cu absorție de căldură), combustibilul absoarbe căldura aerului proaspăt admis în cilindru. Prin scăderea temperaturii aerului, acesta își crește densitatea și vom avea o mai bună umplere în cilindri. Dar cel mai important se va evita fenomenul de detonație (auto-aprinderea necontrolată a combustibilului) și se va putea crește prin urmare, și raportul de compresie al motorului.

Creșterea raportului de compresie al motorului antrenează dupa sine creșterea randamentului motorului și prin urmare conduce la o economie de combustibil incă o data in plus

Dezavantajele sistemelor de injecție directă:

funcționarea în modul stratificat este destul de dificil de obținut datorită variațiilor mari în ciclurile de funționare ale motorului și poate fi aplicată pe un domeniu restrâns: la sarcini și regimuri parțiale ( ex: ralanti ).

sistemul de tratare a gazelor de eșapament trebuie adaptat noului mod de funcționare. În cazul funcționării normale cu amestecuri omogene, motorul pe benzină este depoluat folosind un catalizator cu trei cai.  Coeficientul de exces de aer (λ) va oscila în jurul valorii 1 pentru a reduce astfel HC, CO si NOx.

Funcționând cu amestecuri sărace tratarea NOx nu mai este posibilă și este necesară adoptarea unui sistem suplimentar în acest sens: EGR sau catalizator de NOx. Aceste sisteme înseamnă un cost suplimentar deloc neglijabil.

injecția directă în cilindrii motorului poate avea consecințe pe care nu le întâlnim în cazul injecției indirecte de benzină.  Se pot forma stropi de combustibil în capul pistonului pe cămașa cilindrului ceea ce poate conduce la formarea de particule și /sau degradarea calității uleiului motor.

cost mai ridicat decât al sistemului de injecție indirectă (datorită pompei și injectoarelor de înaltă presiune);

trebuie ales un combustibil de o calitatea mai bună.

Cu toate acestea sistemele de injecție directă de benzină se vor impune și vor fi larg utilizate pentru echiparea motoarelor, deoarece reprezintă una din cele mai abordabile metode pentru îndeplinirea reglementărilor de emisii poluante și pentru creșterea  performanțelor dinamice.

Performanțele dinamice și emisiile poluante ale unui motor cu injecție directă

Parametrii care au cea mai mare influență asupra unui motor în ceea ce privește randamentul sunt raportul de comprimare și raportul aer/combustibil (lambda). Prin mărirea raportului de comprimare se obține o putere sporită și o reducere a consumului de combustibil. Puterea sporită se datorează creșterii presiunii din cilindru la sfârșitul comprimării ceea ce impune o presiune mai mare pe cursa de destindere deci un cuplu mai mare. Motoarele cu injecție indirectă au un raport de comprimare în jur de 9…10. O valoare mai mare de 10 face ca fenomenele distructive ca detonația să fie prezente în locul arderii normale.

În cazul injecției directe, în momentul injecției temperatura din cilindru scade deoarece o parte din căldura este absorbită de carburant pentru vaporizare. Astfel se elimina detonația care apare în principal datorită unei temperaturi foarte ridicate la sfârșitul cursei de comprimare. Motoarele cu injecție directă de benzină funcționează cu rapoarte de comprimare mai ridicate de 11…12.

Cel mai mic consum de combustibil se obține atunci când amestecul aer-carburant este un pic mai sărac decât amestecul stoichiometric. Cu alte cuvinte trebuie să introducem în cilindru mai mult aer decât este necesar pentru a avea o ardere completă a benzinei. Unul din inconvenientele sistemelor de injecție indirectă, comparativ cu injecție directă, este modul de funcționare cu amestec stoichiometric, utilizarea amestecurilor sărace nefiind posibilă. În cazul motoarelor cu injecție directă se poate controla raportul aer-carburant din cilindru în sensul stratificării acestuia.

Fig. 9 : Cameră de ardere – Ecotec 2.0L L-4 DI Turbo

  Stratificarea înseamnă un amestec foarte bogat în jurul bujiei (pentru a facilita aprinderea) și foarte sărac în apropierea pistonului și a pereților cilindrului. Funcționarea cu amestec sărac în apropierea pistonului și a cilindrului creează o izolare termică a nucleului de ardere ceea ce reduce semnificativ transferul căldurii către blocul motor și pistoane. Astfel se obține o îmbunătățire a randamentului termic ce are ca efect scăderea consumului de combustibil.

Amestec stratificat vs amestec omogen

    Un sistem de injecție indirectă funcționează tot timpul cu amestec omogen, raportul aer-combustibil fiind aproximativ același în interiorul cilindrului. Avantajul sistemelor de injecție directă este controlul jetului de combustibil astfel încât se poate obține un amestec stratificat. Amestecul stratificat se obține prin injectarea benzinei spre sfârșitul cursei de comprimare, jetul de combustibil fiind ghidat către bujie.

    Funcționarea în mod stratificat aduce o reducere a consumului de combustibil de la 15 la 20 % comparativ cu un motor cu injecție indirectă. În acest mod de funcționare obturatorul este folosit foarte puțin, doar pentru a permite funcționarea EGR-ului și pentru a crea vacuumul necesar sistemelor servo-asistate. Utilizarea într-o mai mică măsură a obturatorului face ca randamentul volumetric să crească, umplerea cilindrilor cu aer făcându-se mai bine.

    Dezavantajul acestui mod de funcționare, cu amestec stratificat, este necesitatea utilizării sistemelor de reutilizare a gazelor de evacuare pentru reducerea emisiilor de oxizi de azot (NOx). Deoarece amestecul este sărac cantitatea de oxigen este în exces ceea ce conduce la emisii mai ridicate de Nox comparativ cu un motor cu injecție indirectă. Astfel, pentru motoarele cu injecție directă de benzină, care funcționează și cu amestec stratificat, este necesară utilizarea EGR-ului pentru reducerea emisiilor de oxizi de azot.

Fig. 10: Amestec stratificat respectiv amestec omogen

    Funcționarea în mod stratificat se face la turații scăzute și sarcini parțiale când nu sunt necesare accelerații intense ale motorului. Benzina este injectată cu puțin timp înainte ca pistonul să ajungă la sfârșitul cursei de comprimare astfel fiind posibilă reorientarea jetului în jurul bujiei pentru o aprindere facilă. La sarcini mari ale motorului funcționarea în mod stratificat poate conduce la emisii de particule deoarece amestecul aer-combustibil poate sa fie foarte bogat în jurul bujiei și să nu ardă complet. De asemenea la turații mari ale motorului curgerea aerului în cilindrii este turbulentă ceea ce face imposibilă obținerea unui amestec stratificat.

Fig. 11: Modurile de funcționare ale injecției directe de benzină

  Regimurile de funcționare cu turații ridicate sau sarcini mari (accelerații intense) impun funcționare cu amestec omogen. În acest mod de funcționare combustibilul este injectat în timpul cursei de admisie, turbulențele aerului din cilindru facilitând omogenizarea amestecului. În funcție de sarcina motorului amestecul omogen poate fi sărac (lambda > 1), stoichiometric (lambda = 1) sau bogat (lambda < 1) în cazul în care motorul este la sarcină totală (pedala de accelerație este apăsată 100%). Datorită omogenității amestecului emisiile de oxizi de azot sunt reduse și astfel nu mai este necesară funcționarea EGR-ului.

Fig. 12 : Injecția directă de benzină FSI 2.0 Audi

Amestecul omogen sărac aduce avantajul unui consum redus de combustibil dar impune utilizarea EGR-ului pentru reducerea emisiilor de oxizi de azot. Acest mod face tranziția între amestecul stratificat și cel omogen. Pe măsură ce ne apropiem de modul de funcționare omogen (stoichiometric sau bogat) se utilizează modul de funcționare cu amestec omogen parțial stratificat. În acest mod de funcționare injecția este divizată.

Prima injecție (principală), ce conține majoritatea cantității de combustibil, se realizează în timpul cursei de admisie obținându-se astfel un amestec omogen sărac în cilindru. Când pistonul se apropie de sfârșitul cursei de comprimare se face a doua injecție (secundară) care conduce la o stratificare a amestecului în zona bujiei.

Acest mod de funcționare, prin divizarea injecției, conduce la reducerea emisiilor de particule și la un consum mai redus de combustibil. Injecția divizată este utilizată și pentru a grăbi încălzirea catalizatorului prin efectuarea injecției secundare pe cursa de evacuare ceea ce conduce la continuarea arderii pe galeria de evacuare.

Controlul jetului de combustibil

Obținerea amestecului stratificat se face prin ghidarea jetului de combustibil injectat în cilindru astfel încât amestecul bogat sa fie prezent în dreptul bujiei pentru a facilita aprinderea. Ghidarea jetului spre bujie se face în principal prin trei metode: ghidarea cu peretele, ghidarea directă a jetului și ghidarea cu aerul.

Fig. 13: Injecția directă de benzină – modurile de ghidare a jetului de combustibil.

Ghidarea jetului cu peretele presupune transportul jetului de combustibil spre bujie utilizând suprafața pistonului. Combustibilul este injectat spre piston iar datorită mișcării acestuia la sfârșitul cursei de comprimare jetul este redirecționat spre bujie. Dezavantajul acestei metode constă în faptul că  o parte din combustibilul injectat pe capul pistonului se depune, nu se evaporă total ceea ce are impact asupra creșterii consumului de combustibil și asupra emisiilor de hidrocarburi (HC) și a monoxidului de carbon (CO).

Ghidarea jetului cu aerul (VW) utilizează pentru fiecare cilindru câte o paletă de redirecționare a aerului (montate în galeria de admisie) cu ajutorul căreia se controlează curentul de aer. Astfel jetul de combustibil injectat este purtat de către curenții de aer către bujie. Avantajul acestei metode se datorează izolării jetului de combustibil cu aer ceea ce se traduce în consum de combustibil și emisii mai mici.

Fig. 14: Injector lateral (ghidare cu aerul a jetului) – Ecotec 2.0L L-4 DI Turbo

Ghidarea directă a jetului (Mercedes, BMW) se obține prin plasarea injectorului în vecinătatea bujiei. Teoretic aceasta metoda este cea mai eficientă deoarece elimină fenomenul depunerii combustibilului pe piston sau pe pereții cilindrului. De asemenea acest mod de ghidare a jetului este mai puțin sensibil la fluctuațiile curenților de aer din cilindru. Dezavantajul este data de fiabilitatea mai redusă a bujiei datorită depunerilor de carbon, depuneri provenite din arderea incompletă a combustibilului.

Fig. 15: Injector plasat central (ghidare directă a jetului) – BMW

Sistemul de alimentare cu combustibil pentru injecție directă

Injecția directă de combustibil în cilindru necesită presiuni relativ ridicate, în jur de 40 – 130 bari. Comparativ, la un sistem de injecție indirectă presiunile se situează în jurul valorii de 4 bari. Presiunile mari sunt necesare pentru ca jetul de combustibil să aibă penetrația corespunzătoare în cilindru și pentru ca pulverizarea și evaporarea să fie cât mai eficiente. Cu toate acestea nu se poate crește mai mult presiunea de injecție pentru a avea o pulverizare și mai bună deoarece crește probabilitatea ca jetul să aibă o penetrație foarte mare și să atingă pereții cilindrului sau capul pistonului.

În principiu un sistem de injecție directă de benzină este compus din: rezervor de combustibil, pompă electrică de joasa presiune, filtru de combustibil, pompă de înaltă presiune, rampă comună, regulator de presiune (electro-supapa), senzor de presiune, injectoare.

Fig. 16: Componentele principale ale unui sistem de injecție directă de benzină

Combustibilul stocat în rezervor este scos de către pompa electrică la o presiune de 4 – 5 bari și trimis către pompa de înaltă presiune. Pompa de joasă presiune este localizată de obicei în rezervor sau în vecinătatea acestuia. Filtrul are rolul de a reține impuritățile din combustibil pentru a evita pătrunderea acestora în pompa de înaltă presiune, injectoare sau regulator putând provoca blocarea sau deteriorarea acestora.

Fig. 17 Secțiune printr-un motor cu injecție directă de benzină

Fig. 17: Componentele sistemului de injecție directă de benzină

Pompa de înaltă presiune este antrenată de arborele cu came și trimite combustibilul către rampă la o presiune de maxim 130 bari. Valoarea presiunii din rampa depinde de punctul de funcționare al motorului (turație și sarcină) și este controlată între 40 și 130 de bari cu ajutorul regulatorului de presiune.

Informația presiunii din rampă este citită de calculatorul de injecție prin intermediul unui senzor de presiune. Injectorul este componenta centrală a sistemului de injecție. Acesta preia combustibilul din rampă și-l injectează în cilindru. Comanda injectoarelor este făcută de calculatorul de injecție care, în funcție de tipul amestecului și de punctul de funcționare al motorului, reglează momentul și durata deschiderii injectoarelor.

Viitorul apropiat al sistemelor de propulsie pentru automobile cu carburant fosil aparține motoarelor pe benzină cu injecție directă. Datorită performanțelor acestora în ceea ce privește consumul și puterea motoarele pe benzină cu injecție directă încep să se apropie tot mai mult de motoarele diesel supraalimentate dar la un preț de cost mai mic. Mai mult, utilizarea supraalimentării împreună cu injecția directă va împinge performanțele motoarelor pe benzină la nivele la care un motor diesel va ajunge foarte greu și cu costuri semnificativ mai mari.

Soluții constructive de motoare cu injecție directă de benzină si supraalimentare

TSI – injecție directă cu benzină și dubla supraalimentare Volkswagen

Prin intermediul propulsorului 2.0 FSI Turbo disponibil pentru Golf GTI, Volkswagen a prezentat primul motor cu injecție directă pe benzină cu turbocompresor. Prin tehnologia TSI, Volkswagen atinge un nivel superior: rezultatul este reprezentat de un agregat puternic de înaltă tehnologie, cu un cuplu motor impresionant și cu un consum redus de carburant. Noul TSI de 1.4 litri prezintă paralele cu tehnologia TDI nu doar în ceea ce privește denumirea. 

Fig. 18: Motorul 1.4 TSI Dual-charging de la VW

Caracteristica unică a tehnologiei TSI, oferită de Volkswagen cu caracter exclusiv, în calitate de unic producător care pune la dispoziție această realizare pe plan mondial, este reprezentată de combinația dintre injecția directă cu benzină și dubla supraalimentare. „Twincharger“, un compresor mecanic de supra-alimentare combinat cu un turbocompresor, asigură o putere raportată la capacitatea cilindrică de 90 kilowați, respectiv 121 CP per litru de capacitate cilindrică, dezvoltând o valoare de top în categoria propulsoarelor cu patru cilindri destinate producției de serie în clasa autoturismelor. 

Cele două sisteme de supraalimentare sunt conectate în serie, aerul admis în motor fiind comprimat succesiv, mai întâi de compresorul mecanic și apoi de turbo-compresor. Fluxul de aer pentru a ajunge în motor trece prin filtrul de aer, compresor mecanic, turbo-compresor și radiator (intercooler).

Fig. 19 : Circuitul de aer al motorului 1.4 TSI Dual-charging de la VW

filtru de aer

compresor mecanic

cureaua de antrenare a compresorului

supapa de reglare a presiunii compresorului

ambreiaj electromagnetic

galeria de admisie

obturator admisie aer

radiator (intercooler)

galeria de evacuare

curea de accesorii

supapă de descărcare a gazelor de evacuare (waste-gate)

turbo-compresor

turbină

supapă de descărcare a aerului comprimat (blow-off valve, pop-off valve)

Compresorul mecanic este activat la cerere prin intermediul unui ambreiaj electromagnetic comandat de unitatea electronică de control a motorului. Ambreiajul este localizat pe fulia pompei de apă și printr-o curea antrenează arborele de intrare în compresor. Raportul de transmitere între motor și compresor este 1:5, astfel la o rotație completă a arborelui cotit compresorul efectuează 5 rotații, turația maximă ajungnîd la valoarea de 17500 rot/min.

Fig. 20: Compresorul mecanic Eaton generația 5

Compresorul mecanic este produs de Eaton și face parte din generația 5. Controlul presiunii aerului se face cu ajutorul unei supapei de reglare, presiunea maximă absolută de supraalimentare fiind de 1.75 bari.

Turbo-compresorul este integrat în galeria de evacuare a motorului. Geometria turbinei este fixă, presiunea maximă a compresorului fiind limitată de o supapă de refulare (waste-gate). Pentru a preveni supraîncălzirea turbo-compresorul este răcit cu lichid. Sistemul este dotat cu o pompă electrică care poate funcționa și după oprirea motorului pentru a asigura răcirea grupului turbo-compresor. Grupul turbo-compresor și galeria de admisie au fost proiectate pentru a rezista temperaturilor extreme de pînă la 1050 °C.

Fig. 21: Turbo-compresorul motorului 1.4 TSI Dual-charging de la VW

acționarea pneumatică a supapei de descărcare a gazelor de evacuare (waste-gate)

acționarea electrică a supapei de descărcare a aerului comprimat (blow-off valve, pop-off valve)

Pe galeria de admisie, după turbo-compresor, este montată o supapă de descărcare (blow-off valve, pop-off valve). Aceasta, în cazul închiderii bruște a obturatorului din admisie, reduce presiunea aerului din galerie pentru a prevenii scăderea rapidă a turației compresorului și acumularea de contrapresiune.

Modurile de funcționare ale sistemului de supraalimentare

În funcție de regimul de lucru al motorului, sarcină și turație, unitatea electronica de control calculează cantitatea de aer necesară pentru obținerea cuplului motor cerut de conducătorul auto. Turbo-compresorul funcționează (se rotește) indiferent de valoarea turației motorului. La turații mici însă, datorita vitezei reduse a gazelor de evacuare, presiunea aerului comprimat este insuficientă.

Fig. 22 : Modurile de funcționare ale sistemului de supraalimentare al motorului 1.4 TSI Dual-charging de la VW

zona de funcționare continuă a compresorului mecanic

zona de funcționare a turbo-compresorului cu suport din partea compresorului mecanic

zona de funcționare doar a turbo-compresorului

zona de funcționare ca motor aspirat

Obiectiv:
Obiectivul declarat al firmei Volkswagen este reprezentat de reducerea semnificativă a emisiilor de CO2 și a consumului de carburant. Dar aceste cerințe nu trebuie atinse în dauna siguranței de deplasare și a plăcerii condusului. Pentru a atinge acest obiectiv, sunt necesare soluții noi, împreună cu o tehnologie inovatoare pentru producția de propulsoare. 
Una dintre cele mai eficiente măsuri adoptate cu privire la motoare în scopul reducerii consumului este reprezentată de așa-numita „Downsizing“ (micșorare) a motorului. Prin reducerea capacității cilindrice la 1.390 cm³ se obține o diminuare a pierderilor generate prin frecare, fiind atins astfel un randament superior al motorului. Dar această situație contravine cerințelor actuale care prevăd o evoluție amplă a cuplului motor pentru o siguranță activă îmbunătățită și o plăcere superioară a condusului. În acest context, soluția este reprezentată de supraalimentare. 
O turbină de supraalimentare izolată nu asigură eficiența necesară la nivelul inferior de turații pentru a atinge performanța dorită. Un compresor mecanic este foarte eficient la un nivel redus de turații, dar prezintă dezavantaje în ceea ce privește consumul la turații mai ridicate ale motorului ca urmare a puterii superioare absorbite. Soluția este reprezentată de combinația utilă a celor două sisteme de alimentare, sub forma unui „Twincharger“ pentru propulsorul 1.4 TSI. În urma unei interacțiuni complexe, compresorul mecanic și turbocompresorul permit și în condiții de turație scăzută o creștere a presiunii de supra-alimentare de până la 2,5 bar (la 1.500 rpm). 
Ca tehnologie pentru injecție, sistemul de injecție directă cu benzină FSI conceput de Volkswagen oferă condiții optime pentru un consum redus de carburant și o eficiență ridicată. Astfel a fost creat primul motor pe benzină cu injecție directă din lume cu supra-alimentare dublă: este vorba despre propulsorul 1.4 TSI produs de Volkswagen.
Implementare: Prin „Twincharger“, Volkswagen combină un turbocompresor cu un compresor mecanic, conform principiului Roots. În acest scop, două pistoane se rotesc în direcție opusă în interiorul unei carcase, fără să se atingă între ele. Efectul de pompare este generat prin rotirea în direcție opusă a unui număr de două pistoane profilate. 
Principiile de funcționare ale compresorului și turbocompresorului se completează perfect. Până la o turație de aproximativ 3.500 rpm, supra-alimentarea se realizează de către compresorul mecanic. Presiunea de supraalimentare este intensificată de turbocompresorul montat în serie. De la o turație de 3.500 rpm, presiunea de alimentare în cilindri este asigurată numai prin intermediul turbinei de supraalimentare. 
Compresorul mecanic cu funcționare rapidă asigură compensarea și depășirea „Turbo lag“ la nivel redus de turații. Acționarea acestuia este asigurată de arborele cotit, prin intermediul unei curele de transmisie care nu necesită efectuarea de lucrări de întreținere și care asigură un raport de transmisie de aproape cinci ori mai mare. În funcție de turație și de poziția pedalei de accelerație, compresorul mecanic este controlat prin intermediul unui cuplaj magnetic sau este decuplat, în baza solicitărilor motorului. 
Prin acționarea directă a compresorului cu ajutorul arborelui cotit, presiunea de alimentare necesară este disponibilă de la un nivel redus de turații. „Twincharger“ garantează astfel în orice situație, inclusiv la o trecere bruscă de la regimul de manevră la regimul de funcționare cu accelerația la podea, o dezvoltare spontană a cuplului motor și asigură astfel o putere deosebită. 
Conform noii tehnologii, inginerii de la Volkswagen au îmbunătățit și injecția directă cu benzină: Presiunea maximă de injecție cu ajutorul duzei de injecție cu 6 orificii utilizată în premieră este de până la 150 bar. Și geometria pistoanelor, cu secțiuni concave care prezintă o formă specială, a fost adaptată la TSI. Prin intermediul acestor măsuri se garantează că formarea amestecului se realizează în mod ideal, de la regimul de funcționare la relanti până la sarcina maximă de peste 7.000 rpm. Avantajul este reprezentat de o ardere eficientă și de îmbunătățirea performanței și a cuplului motor, precum și de reducerea nivelului de emisii. 
De la relanti până la o turație a motorului de aproximativ 2.400 rpm, compresorul mecanic funcționează neîncetat, în cazul unei solicitări corespunzătoare în acest sens din partea conducătorului auto. În plaja de turații cuprinsă între aproximativ 2.400 și 3.500 rpm, compresorul este cuplat în funcție de necesități prin intermediul cuplajului magnetic, de exemplu la efectuarea manevrelor de depășire. 
O clapetă de reglare controlează fluxul de aer proaspăt aspirat: către compresorul mecanic sau direct către turbocompresor. În situația în care funcționează exclusiv turbocompresorul, de la o turație de aproximativ 3.500 rpm, clapeta de reglare este deschisă, iar compresorul este oprit. Aerul parcurge traseul cunoscut pentru motoarele turbo, prin schimbătorul de căldură aer/aer frontal și clapeta de accelerație către galeria de admisie. 
La acest nivel de turații, turbocompresorul cu reglare Wastegate, conceput pentru asigurarea unui randament optim la nivelul unor turații ridicate, realizează doar procesul de supra-alimentare. Astfel, fiecare treaptă a „Twincharger“ este valorificată la un nivel optim de funcționare. Este garantată în acest mod injectarea spontană a carburantului, un cuplu motor remarcabil și un consum avantajos.

Pe întreaga gamă de turații, dar la sarcini mici, motorul funcționează ca un motor aspirat, aerul fiind comprimat la o valoare ușor peste presiunea atmosferică. În acest caz supapa de reglare a compresorului mecanic este complet deschisă și energia gazelor care intră în turbină este insuficientă pentru a permite turbo-compresorului să comprime aerul.

Cu acest sistem VW a reușit să îmbine avantajele celor două tehnologii de supraalimentare . La turații mici și medii este utilizat compresorul mecanic iar la turații medii și mari turbo-compresorul. Astfel, în funcție de modul de conducere, motorul poate fi economic, cu un consum scăzut de combustibil, dar și extrem de dinamic oferind un cuplu impresionant pe toată gama de turații.

Cuplul motor maxim de 240 Nm este disponibil de la un nivel de turații de 1.500 rotații/min și este menținut la acest nivel ridicat până la 4.500 rotații/min. Această valoare corespunde potențialului unui motor cu aspirație cu o capacitate cilindrică de aproximativ 2,3 litri. În comparație cu un astfel de propulsor, consumul de carburant obținut de un motor 1.4 TSI este mai scăzut cu aproximativ 20 procente. 
Astfel, Golf GT este primul autovehicul care dispune de tehnologie TSI. Motorul TSI care dezvoltă 170 CP este foarte economic, asigurând un consum de 7,2 litri la 100 kilometri.

Rezultat: Prin evoluția amplă a cuplului motor, prin puterea remarcabilă a motorului și prin comportamentul sportiv, propulsorul 1.4 TSI oferă conducătorului auto senzația unui motor cu aspirație de cilindree mare. În contradicție evidentă cu o asemenea impresie se află consumul redus. Prin intermediul tehnologiei inovatoare TSI, Volkswagen reușește, așa cum a demonstrat deja prin propulsoarele TDI, să îmbine într-o modalitate impresionantă plăcerea condusului și costurile reduse. 
Avantaje individuale: "Twincharger" conferă propulsorului TSI o evoluție amplă a cuplului motor pe parcursul unei plaje extinse de durații, la care se adaugă o putere maximă remarcabilă, în condițiile unui consum foarte redus de carburant. 
Cuplul motor ridicat impresionant pe parcursul unei plaje extinse de turații permite un stil de condus relaxat, care nu implică schimbarea frecventă a treptelor de viteză. 
TSI reprezintă o realizare de înaltă tehnologie a firmei Volkswagen: injecția directă de benzină și conceptul de supra-alimentare dublă asigură o plăcere superioară a condusului și un consum mai scăzut de carburant.
Și în ceea ce privește costurile de întreținere, TSI se remarcă prin avantaje duble: tehnologia durabilă a propulsorului care necesită un volum redus de lucrări de întreținere, dublată de un impozit scăzut pentru autovehicul ca urmare a capacității cilindrice reduse.

TCe – injecție directă de benzină și supraalimentare de la Renault

Familia de motoare TCe (Turbo Control efficiency) reprezintă noua generație de motoare pe benzină utilizate pentru automobilele Renault și Dacia. Din gama TCe, pe lângă motorul 1.2 TCe 115 (H5Ft), mai fac parte și motorul 1.2 TCe 100 (D4Ft), motorul 1.4 TCe 130 (H4Jt), motorul 2.0 TCe 180 (F4Rt) și noul motor 0.9 TCe 90 (H4Bt).

Motorul de 1200 cm3 TCe de 115 CP este un motor pe benzină cu injecție directă supraalimentat cu turbocompresor.

Fig. 23 : Motorul 1.2 115 TCe de la Renault

Reducerea capacității cilindrice a motorului, îmbunătățind în același timp performanțele acestuia, face parte din strategia de downsizing a constructorilor de automobile. Astfel motorul 1.2 TCe 115 va înlocui treptat motorul 1.6 16V de 110 CP (K4M) care este disponibil pentru automobilele din gama Renault și Dacia.

Fig. 24 : Motorul 1.2 TCe 115 CP de la Renault – turbocompresorul

Comparativ cu motorul K4M noul motor H5Ft beneficiază de:

tubocompresor și injecție directă de benzină

putere maximă de 115 CP

cuplu maxim de 190 Nm (disponibil între 2000 și 4000 de rot/min)

reducerea consumului de combustibil cu 25%

reducerea costurilor cu achiziția și întreținerea datorită distribuției pe lanț și a consumului mai scăzut de combustibil

bloc motor din aluminiu

Fig. 25: Motorul 1.2 TCe 115 CP de la Renault – curbele de cuplu și putere

Reducerea consumului de combustibil și creșterea performanțelor motorului a fost posibilă datorită unei serii de tehnologii pe care Renault le-a implementat pe motorul 1.2 TCe 115 CP:

reducerea pierderilor prin frecare (care are ca efect și creșterea duratei de viață a motorului)

pompă de ulei cu debit variabil

Fig. 26: Motorul 1.2 TCe 115 CP de la Renault

Presiunea uleiului este monitorizată și controlată de către calculatorul de injecție. Prin modificarea geometriei pompei se controlează presiunea uleiului. Astfel la sarcini mici ale motorului puterea consumată de pompă este mai mică deci automat consumul și emisiile de CO2 sunt reduse.

lanț de distribuție cu frecare redusă

Fig. 27 : Motorul 1.2 115 TCe de la Renault – lanțul de distribuție

    Întinderea optimă lanțului este asigurată de un mecanism hidraulic pentru a minimiza pierderile prin frecare.

fusta pistoanelor acoperite cu grafit

    Pentru a reduce pierderile prin frecare fusta pistoanelor a fost acoperită cu un strat de materil anti-fricțiune pe bază de grafit.

injecție directă de benzină

Fig. 28: Motorul 1.2 TCe 115 CP de la Renault – injecția directă de benzină

distribuție variabilă a fazelor de deschidere și înhidere a supapelor

sistem Stop & Start cu recuperarea energiei de frânare (ESM)

Date tehnice motor 1.2 TCe 115 CP

    Combinarea acestor tehnologii pe motorul 1.2 TCe 115 CP a condus la obținerea unor performanțe remarcabile (aprox. 100 CP/litru) combinat cu scăderea consumului de combustibil și a emisiilor. Cu acest motor Renault se înscrie în gama producătorilor care și-au evoluat propulsoarele clasice pe benzină cu sisteme de injecție directă și supraalimentare cu turbocompresor.

Calculul injectorului

Fig. 29 : Desen injector

Pentru motorul de proiectat se vor folosi injectoare piezoelectrice, ca cel din figură, în care sunt făcute notațiile: 1 – duză, 2 – garnitură, 3 – corp, 4 – arc, 5 – conector electric, 6 – racord, 7 – filtru, 8 – șurub, 9 – înfășurare, 10 – carcasa, 11 – miez piezoelectric, 12 – ac cu știft.

Secțiunea de trecere a orificiilor injectorului se află din ecuația de debit pe ciclul Qce:

Qce=1020·w0·A0·t

cu w0 – viteza medie de curgere a combustibilului prin orificiile pulverizatorului;

0 =0,7…0,8 – coeficientul de debit.

Se adoptă 0 =0,7.

A0 – aria totală a orificiilor

z – numărul orificiilor pulverizatorului

t – durata curgerii t = 10-4 s

Dar debitul pe ciclu e dat de relația :

cu k = 1,25…1,3 (k = 1,25) coeficient de suprasarcină

Pe = 103,67 kW – puterea efectivă a motorului

ce = 270 g/kW h – consumul specific efectiv

= 4 timpi

i = 4 – numărul de cilindrii

n = 6500 rot /min

c = 0,75 kg /m3 – densitatea combustibilului

Viteza medie de curgere a combustibilului prin orificiile pulverizatorului este:

cu pi = 5 MPa – presiunea medie de injecție

pcil = 1,2 MPa – presiunea în cilindru în timpul injecției

Din relația ariei totale se determină aria totală a orificiilor:

Diametrul orificiului de pulverizare este: